美 MIT, 경량·소형·안전 전고체 리튬배터리 개발 돌파구 열었다

미국의 매사추세츠 공과대학교(MIT)가 기존 배터리보다 가볍고 소형이며 안전한 전고체리튬배터리(All-solid-state lithium batteries, ASSLB) 개발의 돌파구를 마련했다.

MIT의 새로운 발견은 마침내 현재의 리튬배터리보다 더 가볍고 콤팩트하며 안전한 고체 리튬배터리의 개발을 안내할 수 있다. 고체 전해질 내에서 수상돌기를 의미하는 덴드라이트(dendrites)라고 불리는 금속 필라멘트의 성장은 오랫동안 장애물이었지만, 새 연구는 수상돌기가 어떻게 형성되고 이를 전환시키는지 방법을 설명한다. 이것은 수년간 전 세계 연구소에서 추구해 온 목표이다.

배터리 기술의 잠재적인 도약의 핵심은 양극과 음극 사이에 있는 액체 전해질을 훨씬 더 얇고 가벼운 고체 세라믹 물질로 교체하고 전극 중 하나를 고체 리튬 금속으로 교체하는 것이다. 이것은 배터리의 전체 크기와 무게를 줄이고 가연성 액체 전해질과 관련된 안전 위험을 제거한다.

그러나 그 연구는 하나의 큰 문제, 즉 ‘수상돌기인 덴드라이트’로 둘러싸여 있다. 유망한 고체 전해질 중 하나인 고체 고분자 전해질은 우수한 유연성으로 인해 많은 관심을 받아왔다. 그러나 리튬(Li) 덴드라이트 성장 문제는 여전히 솔리드 스테이트 배터리(SSB)에서의 실제 적용을 방해한다.
나뭇가지를 의미하는 라틴어에서 이름이 유래된 수상돌기는 리튬 표면에 축적되어 고체 전해질에 침투하여 결국 한 전극에서 다른 전극으로 교차하여 배터리 셀을 단락시킬 수 있는 금속 돌출부이다. 연구원들은 이러한 금속 필라멘트를 발생시키는 원인에 대해 동의할 수 없었고, 이를 방지하여 경량 고체 배터리를 실용적인 옵션으로 만드는 방법에 대한 많은 진전도 없었다.

MIT교수 예밍 치앙(Yet-Ming Chiang), 대학원생 콜 핀처(Cole Fincher) 및 MIT와 브라운대학(Brown University)의 다른 5명의 논문에서 줄(Joule) 저널에 발표된 새 연구는 무엇이 수상돌기 형성을 유발하는지에 대한 질문을 해결하는 것으로 보인다. 또한 덴드라이트가 전해질을 통과하는 것을 방지할 수 있는 방법도 보여준다.

치앙교수는 그룹의 초기 작업에서 "놀랍고 예상치 못한" 발견을 했다고 말했다. 고체 배터리에 사용되는 단단한 고체 전해질 재료는 공정 중에 매우 부드러운 금속인 리튬에 의해 침투될 수 있다는 것이다. 리튬 이온이 양면 사이를 이동하면서 배터리를 충전 및 방전한다.

이온이 앞뒤로 이동하면 전극 부피가 변경된다. 그것은 불가피하게 고체 전해질에 응력을 발생시키고, 그 사이 낀 두 전극과 완전히 접촉된 상태를 유지해야 한다. 치앙 교수는 "이 금속을 증착하려면 새로운 질량을 추가하기 때문에 부피가 확장돼야한다"며 "따라서 리튬이 증착되는 셀 측면의 부피가 증가한다. 그리고 미세한 결함이라도 존재한다면 균열을 일으킬 수 있는 결함에 압력이 가해질 것"이라고 지적했다.

연구팀은 이러한 응력이 수상돌기 형성을 허용하는 균열을 유발한다는 것을 보여주었다. 문제에 대한 해결책은 올바른 방향으로 올바른 양의 힘을 가하는 더 많은 스트레스로 밝혀졌다.

이전에 일부 연구자들은 덴드라이트가 기계적 프로세스가 아닌 순수한 전기화학적 프로세스에 의해 형성된다고 생각했지만, 연구팀의 실험은 문제를 일으키는 것이 기계적 스트레스라는 것을 보여준다.

덴드라이트 형성 과정은 일반적으로 배터리 셀의 불투명한 물질 내부에서 발생하며 직접 관찰할 수 없기 때문에 핀처는 투명 전해질을 사용하여 얇은 셀을 만드는 방법을 개발하여 전체 프로세스를 직접 보고 기록할 수 있도록 했다. 그는 "시스템에 압축을 가할 때 어떤 일이 발생하는지 볼 수 있고 수상 돌기가 부식 과정이나 파괴 과정에 상응하는 방식으로 거동하는지 여부를 확인할 수 있다"고 주장했다.

연구팀은 단순히 압력을 가했다가 풀어줌으로써 수상돌기의 성장을 직접 조작할 수 있음을 보여주었고 수상돌기가 힘의 방향과 완벽하게 일치하도록 지그재그로 움직였다.

고체 전해질에 기계적 응력을 가해도 수상 돌기의 형성이 제거되지는 않지만 성장 방향을 제어한다. 이것은 그들이 두 전극에 평행하게 유지되도록 지시될 수 있고 반대쪽으로 교차하는 것을 방지하여 무해하게 만들 수 있음을 의미한다.

그들의 테스트에서 연구원들은 한쪽 끝에 무게가 있는 빔으로 형성된 재료를 구부림으로써 유도된 압력을 사용했다. 그러나 그들은 실제로 필요한 스트레스를 생성하는 다양한 방법이 있을 수 있다고 말한다. 예를 들어, 전해질은 열 팽창량이 다른 두 개의 재료 층으로 만들어질 수 있으므로 일부 온도 조절 장치에서 수행되는 것처럼 재료의 고유한 굽힘이 있다.

또 다른 접근법은 재료에 내장될 원자로 재료를 "도핑"하여 재료를 왜곡하고 영구적으로 응력을 받는 상태로 두는 것이다. 이것은 스마트폰과 태블릿의 화면에 사용되는 초경질 유리를 생산하는 데 사용되는 것과 동일한 방법이라고 치앙교수는 설명했다. 그리고 필요한 압력의 양은 극단적이지 않다. 실험은 150~200메가파스칼의 압력이 덴드라이트가 전해질을 가로지르는 것을 멈추기에 충분하다는 것을 보여주었다.

필요한 압력은 "상업적인 필름 성장 공정 및 기타 많은 제조 공정에서 일반적으로 유발되는 응력에 상응"하므로 실제로 구현하는 것이 어렵지 않을 것이라고 핀처 학생은 판단했다.

핀처는 실제로 스택 압력이라고 하는 다른 종류의 응력이 배터리 판에 수직인 방향으로 본질적으로 재료를 찌그러뜨리는 방식으로 종종 배터리 셀에 가해진다고 진단했다. 이것은 레이어가 분리되는 것을 방지하는 데 도움이 될 수 있다고 생각되었다. 그러나 실험은 이제 그 방향으로의 압력이 실제로 수상돌기 형성을 악화시킨다는 것을 입증했다. 그는 "우리는 이러한 유형의 스택 압력이 실제로 덴드라이트로 인한 실패를 가속화한다는 것을 보여주었다"라고 설명했다.

대신 필요한 것은 마치 샌드위치가 측면에서 압착되는 것처럼 판의 평면을 따라 압력을 가하는 것이다. 핀처는 "이번 연구에서 보여준 것은 압축력을 가했을 때 덴드라이트가 압축 방향으로 이동하도록 할 수 있다는 것"이라며 "만약 그 방향이 플레이트의 평면을 따라 있다면 덴드라이트는 절대 다른 쪽으로 가지 않을 것"이라고 분석했다.

그것은 마침내 고체 전해질과 금속 리튬 전극을 사용하여 배터리를 생산하는 것을 실용적으로 만들 수 있다. 이것은 주어진 부피와 무게에 더 많은 에너지를 담을 뿐만 아니라 가연성 물질인 액체 전해질의 필요성을 없애준다.

치앙교수는 관련된 기본 원칙을 입증한 후, 팀의 다음 단계는 이것들을 기능적인 프로토타입(시제품) 배터리의 개발에 적용하는 것이 될 것이며 그런 다음 이러한 배터리를 대량으로 생산하기 위해 어떤 제조 공정이 필요한지 정확히 파악하는 것이라고 설명한다.

그는 비록 연구원들이 특허를 신청했지만, 이미 고체 배터리 개발에 힘쓰는 회사들이 있기 때문에 그들은 그 시스템 자체를 상업화할 계획은 없다고 밝혔다.

그는 "이것은 업계가 더 나은 제품을 설계할 때 인식하고 사용할 필요가 있다고 믿는 고체 배터리의 고장 모드에 대한 이해라고 말하고 싶다"고 덧붙였다.

연구팀에는 브라운대학(Brown University)의 크리스토스 아타나시우(Christos Athanasiou)와 브라이언 셸던(Brian Sheldon), MIT의 콜린 길겐바흐(Colin Gilgenbach), 마이클 왕(Michael Wang), 그리고 W. 크레이그 카터(W. Craig Carter)가 포함되었다. 이 연구는 미국 국립과학재단, 미국 국방부, 미국 국방고등연구계획국, 미국 에너지부의 지원을 받았다.

보도 자료에 이 작업이 프로토타입 배터리를 생성할지 확신할 수 없는 충분한 데이터가 있다고 가정하면 프로토타입이 성공적으로 제작될 확률이 높다. 얼마나 많은 모델이 시도되었고 결국 어떤 것이 작동하는지 현재로서는 매우 많이 알려져 있다.

반면에 기계적 형성 연구 결과는 상당히 매력적으로 보이며 이제 설명되었으므로 실제로 이치에 맞다. 질문이 생긴다. 덴드라이트 형성이 배터리 용량과 기능을 크게 방해하는가, 아니면 추가된 덴드라이트 표면적이 증가하는가? 그렇다면 수상돌기 형성이 전체 수명에 어떤 영향을 미치는지 궁금할 것이다.

이 노력은 아직 끝나지 않았다. 그러나 이것은 추가 연구가 어디로 갈 수 있는지에 대한 많은 단서와 힌트가 있는 중요한 이정표이다. 고체 리튬 금속 배터리는 시장에서 벗어난 혁신, 통찰력 및 창의성의 문제인 것처럼 보인다.


김세업 글로벌이코노믹 기자